h第三章 采场上覆岩层活动规律及其分析

矿山压力及其控制安全工程学院石建军第三章采场上覆岩层活动规律及其分析第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38§1概述一、基本概念：1．回采工作面（采场）：在煤层或矿床的开采过程中，一般把直接进行采煤或采有用矿物的工作空间称为回采工作面或简称为采场。第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:382．顶板：赋存在煤层之上的岩层称为顶板。底板：赋存煤层以下的岩层称为底板。3．直接顶：直接位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层称为直接顶。伪顶：在煤层与直接顶之间有时存在厚度小于0.3至0.5m极易垮落的软弱岩层。老顶：位于直接顶上方厚而坚硬的岩层。直接底：直接位于煤层之下的岩层。§1概述一、基本概念第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38二、采空区处理方法图3–1回采工作空间的形式∑h(b)(a)(c)(d)§1概述第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38图3-2全部垮落法回采工作空间的变化§1概述二、采空区处理方法第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38§2直接顶的稳定性一、概念1．初次垮落距2．碎胀系数KP、残余碎胀系数K'P老顶初次垮落前岩体结构图第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38Δ＝Σh＋M－Kp·Σh＝M－Σh(Kp－1)当Δ＝0时，老顶弯曲下沉较小因此形成充满采空区所需直接顶厚度为：当Δ0时，老顶呈悬露状态，类似板状结构。即所谓“梁”的假说。hMKP1§2直接顶的稳定性第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38表3－2顶板事故位置与原因分析表位置原因地点%事故类型%直接顶或老顶%上、下出口放顶线煤壁区控顶区57.91914.78.4推垮型压垮型7129直接顶老顶直接顶老顶80202179§2直接顶的稳定性第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38§2直接顶的稳定性二、直接顶岩块离散原因分析（部分原因）1)节理裂隙的切割。2)初次放顶前直接顶所处的状态大部分均可能发生离层。3)单体支柱时，第一排刚支设，易使机道上方离层，采用液压支架，无支护空间宽，前梁支撑力较小，也易离层。4)工作面较短时，直接顶的挠度大于老顶形成离层。5)分层开采，第一分层采出后，在以后各分层减压区域内易形成离散状态。6)由于放顶回撤支柱导致直接顶岩块的离散。第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38§2直接顶的稳定性第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38三、初次放顶前直接顶的离层与断裂以工作面中部为例分析。图3－16直接顶离层分析§2直接顶的稳定性第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38老顶的最大挠度为：直接顶的最大挠度为：不形成离层的条件为：若令q1=γh3，且h3＝α·h1则上式可改写为：yhqLEJmax111411384·()maxyhLEJn··14223842241114111384384JELhJELqh·1111222aEhEh··hhEEa11211·三、初次放顶前直接顶的离层与断裂§2直接顶的稳定性第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38若考虑到初次放顶前支架支撑力的作用，则不致于形成离层的条件为：P-支架单位面积初撑力。2241114131384)(384JELphJELhh·hhEJhpEJ131122三、初次放顶前直接顶的离层与断裂§2直接顶的稳定性第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38老顶初次破断前的“板”与“梁”结构§3老顶岩层的稳定性第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38分析梁的应力状态老顶岩梁受力分析§3老顶岩层的稳定性一、老顶岩层的梁式破断第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38对称梁，所以：R1＝R2，弯矩M1＝M2。取ΣFy＝0，则任意截面D－D'，剪力为：所以:RRqL122QRqxqLxLx1212QRRqLmax122§3老顶岩层的稳定性一、老顶岩层的梁式破断2|0|2|20qlQQqlQlxlxx第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38固定梁任意截面D－D‘的弯矩为：在梁的两端(x＝0；Ｌ)，Mmax＝；在梁的中部(x＝)，M＝qL2。222211661212222LxLxqqLxqxqLMxqxxRMx···qL212L2124§3老顶岩层的稳定性一、老顶岩层的梁式破断12|24|12|22220qlMqlMqlMlxlxx第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38若为简支梁：此时，剪力相同，但弯矩不同。即：此时，Mmax在梁的中间，即：MRxqxxqxLxx122··MqLqLqLmax222488§3老顶岩层的稳定性一、老顶岩层的梁式破断xMxQq8|22qlMlx2|0qlQx第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38二、老顶岩层作为板结构时弯矩分布与破断形式根据开采条件及采区边界煤柱大小，可将老顶岩层假设为：a)四周固支；b)三边固支一边简支；c)两边固支两边简支；d)一边固支及三边简支。§3老顶岩层的稳定性薄板：长150-200m宽30m厚2-4m图3-5老顶岩层支撑条件的简化第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38图3-6各类支撑条件下的弯矩分布二、老顶岩层作为板结构时弯矩分布与破断形式§3老顶岩层的稳定性Marcus简算法原理：将板分为若干横纵条梁，求每一条梁弯矩并考虑交叉点挠度相等，从而求出板体内弯矩分布。第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38（1）以四边固支的板为例，老顶岩层X型破坏形成过程：二、老顶岩层作为板结构时弯矩分布与破断形式§3老顶岩层的稳定性老顶板的竖“O-X”型破断第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38（2）当采场处于一边采空的条件下(该边作为简支条件)，其破断规律与四周固支时相近。（3）当老顶岩层处于两边简支两边固支时如下：长边出现裂缝→工作面推进→长边另出现裂缝(原裂缝闭合)→短边出现裂缝→裂缝贯通，板中央出现X形破坏。（4）当工作面处于三边采空时，老顶岩层的破断过程与上述情况相仿。二、老顶岩层作为板结构时弯矩分布与破断形式§3老顶岩层的稳定性第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38老顶板的横“O-X”型破断二、老顶岩层作为板结构时弯矩分布与破断形式§3老顶岩层的稳定性第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38§4老顶初次破断时的极限跨距一、梁式断裂时的极限跨距极限跨距：老顶岩梁达到断裂时的跨距。求解过程：梁内任一点正应力为：M-该点所在断面的弯矩；y-该点离断面中性轴的距离；Jz-对中性轴的断面矩。MyJ·z第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38图3–9岩梁上任意点的应力分析§4老顶初次破断时的极限跨距一、梁式断裂时的极限跨距第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38取梁单位宽度，则Jz＝h3任意点A：＝，τxy＝最大剪应力发生在矩形断面梁的中性轴上，即y＝0，∴(τxy)max＝112123··Myh324223Qhyhx32Qhx§4老顶初次破断时的极限跨距一、梁式断裂时的极限跨距第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38①若根据固定梁计算：Ｍmax＝－qＬ2则：当max＝ＲT时，岩层将在该处拉裂。为此，这种梁断裂时的极限跨距为：max611222222qLhqLhLhRqlTT2112§4老顶初次破断时的极限跨距一、梁式断裂时的极限跨距第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38如以最大剪应力作为岩层断裂的依据，最大剪切力发生在梁的两端Qmax＝(τxy)max＝当(τxy)max达到极限强度ＲS时，形成的极限跨距为：qL234qLhLhRqlSS43··§4老顶初次破断时的极限跨距一、梁式断裂时的极限跨距第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38②考虑为简支梁：仍然(τxy)max=，与固定梁计算结果相同。因此，得极限跨距与上述计算也相同。此时：当max＝RT时：34qLhmax618342222qLhqLhLhRqlTT23§4老顶初次破断时的极限跨距一、梁式断裂时的极限跨距第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38在一般情况下，由于弯矩形成的极限跨距LlT要比剪切应力形成的极限跨距LlS小。因此常常按弯矩来计算极限跨距。当使用刀柱法或房柱法开采时，老顶岩层的安全跨距Ls：固定梁：简支梁：LhRnqST2·LhRnqST23··§4老顶初次破断时的极限跨距一、梁式断裂时的极限跨距第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38老顶按梁式结构计算其极限跨度为：固定梁简支梁按弯矩计算按剪力计算qRhLtLT2qhRLsLS34qRhLtLT32qhRLsLS34对一般厚度岩层，弯矩极限跨度小于剪力极限跨度；简支梁弯矩极限跨度小于固定梁弯矩极限跨度。（顶板岩层在固定端断裂后，随即在中间断裂）结论：§4老顶初次破断时的极限跨距第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38确定岩层梁所承受的载荷q：n层岩层对第一层影响所形成的载荷(qn)1当计算到(qn+1)1(qn)1时，则以(qn)1作为作用于第一层岩层的单位面积上的载荷。qEhhhhEhEhEhnnnnn111311221132233§4老顶初次破断时的极限跨距一、梁式断裂时的极限跨距第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38证明：Q=Q1+Q2+……+QnM=M1+M2＋……Mn图3-10多层梁的载荷计算图§4老顶初次破断时的极限跨距一、梁式断裂时的极限跨距第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38每个岩层梁在其自重下形成的曲率不同(ρi为曲率半径)各岩层组合在一起，曲率必然趋于一致。于是形成了如下的关系：即：kMEJiiixii1MEJMEJMEJnnn111222MMEJEJMMEJEJMMEJEJxxxxxnxnn121122131133111;§4老顶初次破断时的极限跨距一、梁式断裂时的极限跨距第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38而：由于，两边微分∴MMMMxxxnx()()()12MMEJEJEJEJMEJMEJEJEJxxnnxxnn122331111111221·QEJEJEJEJQxnnx1111122·ddMxQ§4老顶初次破断时的极限跨距一、梁式断裂时的极限跨距第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38，同理求微分：其中qx=；(q1)x即为考虑到n层对第一层影响时形成的载荷，即：∴ddQxqqEJEJEJEJqxnnx11111221122hhhnn12..........12;123322311nnbhJbhJbhJ332231122113111nnnnnhEhEhEhhhhEq§4老顶初次破断时的极限跨距一、梁式断裂时的极限跨距第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38老顶初次断裂前板的边界支撑条件有4种形式：a)四周均为实体煤固支的板；b)一边采空区或断层简支、三边固支的板；c)两邻边简支、两邻边固支；d)三边简支、一边固支，即俗称孤岛工作面条件下的板。§4老顶初次破断时的极限跨距二、老顶板断裂的极限跨距4141212)1(12)1)(1(qaMa24121212)1(12)1()1(qbMc第三章采场上覆岩层活动规律及其分析20:38由弯矩与应力关系可得老顶初次断裂步距关系式：令：§4老顶初次破断时的极限跨距二、老顶板断裂的极限跨距2141211121qhas22422234212qhas23432311312qhas244424125